(57)【要約】  真空槽（1）内のステージ電極（3）に載置された基板（S）をその厚さ方向にエッチングするエッチング方法は、真空槽（1）内にエッチングガスを供給すること、ステージ電極（3）に６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の周波数にて高周波電力を供給すること、基板（S）に入射するイオンのエネルギー分布が、上記高周波電力の周波数に応じた互いに異なる電場加速によって上記エネルギー分布の高エネルギー側の端に発現する一対の第１ピークと、それら一対の第１ピークよりも低いエネルギー領域において発現し、該一対の第１ピークよりも高い強度を有する第２ピークと、を有するような圧力でエッチングを実施することを備える。
2011115008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内のステージ電極に載置された基板をその厚さ方向にエッチングするエッチング方法であって、
前記真空槽内にエッチングガスを供給すること、
前記ステージ電極に６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の周波数にて高周波電力を供給すること、
前記基板に入射するイオンのエネルギー分布が、前記高周波電力の周波数によって定められる互いに異なる電場加速によって前記エネルギー分布の高エネルギー側の端に発現する一対の第１ピークと、前記一対の第１ピークよりも低いエネルギー領域において発現し、前記一対の第１ピークよりも高い強度を有する第２ピークとを有するような圧力でエッチングを実施すること、
を備えるエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエッチング方法において、
前記圧力が、５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であり、且つ、
プラズマの密度が、１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下である
ことを特徴とするエッチング方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエッチング方法において、
前記基板がシリコン基板であるとともに、
前記エッチングガスが、フッ素含有ガスと、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも１つを有するハロゲン化水素ガスとを含む混合ガスである
ことを特徴とするエッチング方法。
【請求項４】
基板をその厚さ方向にエッチングするエッチング装置であって、
真空槽と、
前記真空槽内に配置されて前記基板を載置するステージ電極と、
前記真空槽内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給部と、
前記ステージ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記真空槽内を排気する排気部と、
前記基板に入射するイオンのエネルギー分布が、６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の前記高周波電力の周波数によって定められる互いに異なる電場加速によって前記エネルギー分布の高エネルギー側の端に発現する一対の第１ピークと、前記一対の第１ピークよりも低いエネルギー領域において発現し、前記一対の第１ピークよりも高い強度を有する第２ピークとを有するような圧力に前記真空槽内の圧力を制御する制御部と、
を備えるエッチング装置。
【請求項５】
請求項４に記載のエッチング装置において、
前記制御部は、前記圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であり、且つプラズマの密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下になるように、前記真空槽内に供給するエッチングガスの流量を制御することを特徴とするエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エッチング方法、特に反応性イオンエッチングにかかる方法及び該エッチング方法の実施に用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１及び特許文献２に記載のように、半導体材料や絶縁材料等によって形成された基板に対してドライエッチングを施す装置の一形態として、平行平板型のエッチング装置が知られている。平行平板型のエッチング装置は通常、エッチングガスが導入される真空槽内に、基板が載置されるステージ電極と、ステージ電極に対向して配置された上部電極とを有している。そしてステージ電極には、基板にバイアス電圧を印加する高周波電源が、インピーダンスの整合を図るマッチングボックスを介して接続されている。【０００３】
こうした平行平板型のエッチング装置においてエッチング処理が実施される際には、まず、上部電極に設けられたガス導入孔を介して、エッチングガスが導入される。次いで、高周波電圧が高周波電源から基板に印加されることによって、真空槽内のエッチングガスからプラズマが生成される。そして、プラズマに対して負にバイアスされたステージ電極に向かってプラズマ中の正イオンが引き込まれることによって、基板が化学的又は物理的にエッチングされる。このように、平行平板型のエッチング装置においては、いわゆる反応性イオンエッチングによって、所定の形状を呈する凹部が基板の厚さ方向に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−５３１９１号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したように基板に向けて正イオンが引き込まれる過程では、まず基板の表面上にほぼ一様の厚さを有したシースが形成される。その後、シース内に進入した正イオンがシースに形成される電場によって加速されるとともに、電場加速に応じたエネルギーを有する状態で正イオンが基板の表面に衝突する。【０００６】
この際、上記シース内に進入した正イオンの全てが基板の表面の法線方向に沿って飛行するのであれば、シースの厚さがどのような大きさであろうとも、該正イオンが電場の方向である法線方向に引き込まれる。そのため、基板の厚さ方向へのみエッチングが進行するようになる。【０００７】
しかしながら上記シース内に進入する粒子には、法線方向に飛行する正イオンの他に、法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンやラジカルが含まれている。そして、法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンやラジカルは、形成されつつある凹部の底面とシースの上端部との距離が大きくなるほど、該凹部の底面に到達し難くなる。その結果、シースの厚さが大きくなったり凹部の深さが大きくなったりすることによって粒子の飛行距離が大きくなると、法線方向に飛行する正イオンが凹部の底面をエッチングする間、法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンやラジカルが凹部の開口付近のみをエッチングし続けるようになる。そして、凹部の側壁におけるエッチング量が大きくなる結果、いわゆるＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）ロスが大きくなってしまう。特に、基板の厚さ方向へのエッチング量が大きくなる加工、例えばシリコン基板に貫通孔を形成するような加工にあっては、このような問題が顕著なものとなる。【０００８】
なお、こうした問題は、プラズマ密度を高くしてシースの厚さを小さくすることで軽減することが可能であるが、プラズマ密度を高くするとしても、それには限りがある。また、ＣＤロスの問題は、上記平行平板型のエッチング装置においてのみ生じるものではなく、エッチングの対象物である基板が電極の上方に載置されるとともに、基板にバイアス電圧を印加する高周波電源が該電極に接続された構成を有するエッチング装置であれば、概ね共通して生じるものである。【０００９】
この発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板の表面からその厚さ方向に形成されるエッチング形状の異方性を高めることの可能なエッチング方法及び該エッチング方法の実施に用いられる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
本発明の第一の態様は、真空槽内のステージ電極に載置された基板をその厚さ方向にエッチングするエッチング方法である。当該エッチング方法は、前記真空槽内にエッチングガスを供給すること、前記ステージ電極に６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の周波数にて高周波電力を供給すること、前記基板に入射するイオンのエネルギー分布が、前記高周波電力の周波数によって定められる互いに異なる電場加速によって前記エネルギー分布の高エネルギー側の端に発現する一対の第１ピークと、前記一対の第１ピークよりも低いエネルギー領域において発現し、前記一対の第１ピークよりも高い強度を有する第２ピークと、を有するような圧力でエッチングを実施すること、を備える。【００１１】
本発明の第二の態様は、基板をその厚さ方向にエッチングするエッチング装置であって、真空槽と、前記真空槽内に配置されて前記基板を載置するステージ電極と、前記真空槽内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給部と、前記ステージ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空槽内を排気する排気部と、前記基板に入射するイオンのエネルギー分布が、６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の前記高周波電力の周波数によって定められる互いに異なる電場加速によって前記エネルギー分布の高エネルギー側の端に発現する一対の第１ピークと、前記一対の第１ピークよりも低いエネルギー領域において発現し、前記一対の第１ピークよりも高い強度を有する第２ピークと、を有するような圧力に前記真空槽内の圧力を制御する制御部と、を備える。【００１２】
基板の表面上に所定の厚さで形成されるシース内にて他の粒子と衝突することなくイオンが基板に到達する場合、このイオンが追従する６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の周波数帯域では、該イオンが基板に到達する際の高周波電力の位相によって、大きな電場加速を受けるイオンとそうでないイオンとが生成される。これにより、基板に到達したイオンの間にエネルギー差が生じるようになる。その結果、上記高周波電力の周波数によって定められる互いに異なる電場加速による一対のピーク、いわゆるバイモーダルピークが、イオンのエネルギー分布内の高エネルギー側の端に認められるようになる。【００１３】
また、上述したシース内で新たに正イオンが生成される場合がある。例えば、シース内に進入した正イオンと中性粒子との電荷交換によって正イオンが生成される場合がある。この場合には、新たに生成された正イオンが、その生成された位置から電場によって加速されることとなる。そのため、シース内で新たに正イオンが生成される場合には、上述したバイモーダルピークよりも低いエネルギー領域に、該バイモーダルピークとは異なるピークが認められるようになる。【００１４】
本発明の第一及び第二の態様によれば、上記バイモーダルピークと該バイモーダルピークよりも低いエネルギー領域のピークとが、イオンエネルギーの分布に認められるような圧力領域でエッチングが実行される。このような圧力領域では、シース内を飛行して基板に引き込まれるイオン、つまりエッチングに寄与するイオンが、下記［第一イオン］〜［第四イオン］の４種類によって構成されるようになる。【００１５】
［第一イオン］基板表面の法線方向に沿ってシース内を飛行するイオン
［第二イオン］基板表面の法線方向とは異なる方向に沿ってシース内を飛行するイオン
［第三イオン］シース内で生成されて基板表面の法線方向に飛行するイオン
［第四イオン］シース内で生成されて基板表面の法線方向とは異なる方向に飛行するイオン
ここで、第１のピークであるバイモーダルピークに帰属されるイオンのうち、基板の法線方向とは異なる方向から基板に到達する上記［第二イオン］は、エッチング対象領域の深さが大きくなるほど、該対象領域の底面へ到達し難くなる。一方、上記［第三イオン］及び上記［第四イオン］は、シースの上端部から基板に向けて飛行する上記［第一イオン］及び［第二イオン］よりも、該基板に到達するまでの飛行距離が短くなる分、エッチング対象領域の底面まで到達しやすくなる。それゆえに、上記［第一イオン］〜［第四イオン］が用いられるエッチング方法であれば、上記［第三イオン］及び［第四イオン］が新たに生成される分、基板の厚さ方向に形成されるエッチング形状の異方性を高めることが可能である。特に、基板の厚さ方向へのエッチング量が大きくなるような加工であれば、その効果がより顕著なものとなる。【００１６】
しかも上述したエッチング方法によれば、相対的に高いエネルギーを有した上記［第一イオン］及び［第二イオン］も存在するため、圧力が過剰に高くなることでエッチング形状の異方性がかえって失われることも抑えることができる。【００１７】
本発明の第三の態様は、上記第一の態様のエッチング方法において、前記圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であり、且つプラズマの密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下であることをその要旨とする。【００１８】
本発明の第四の態様は、上記第二の態様のエッチング装置において、前記制御部は、前記圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であり、且つプラズマの密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下になるように、前記真空槽内に供給するエッチングガスの流量を制御することを要旨とする。【００１９】
基板上に形成されるシースの厚さは、プラズマ中に含まれるイオン及び電子の密度であるプラズマ密度によって規定される。ここで一般には、プラズマ密度が高い程、薄いシースが形成され、プラズマ密度が低い程、厚いシースが形成される。そこで、第１のピークと第２のピークとの大小関係のみならず、第２のピークの強度に対する第１のピークの強度の比率等に再現性が要求される場合には、このようなプラズマ密度の範囲と圧力の範囲とが定められることが好ましい。この点、上記本発明の第三及び第四の態様によれば、圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下に設定され、且つ、プラズマ密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下に設定されるため、上述したように第２のピークの強度に対する第１のピークの強度の比率等に再現性を得ることが可能となる。【００２０】
なお、プラズマが生成される空間の圧力を所定値に調整する方法としては、エッチングガスの流量を調整することと、エッチングガスの排気量を調整することとが挙げられる。この点、本発明の第四の態様によれば、プラズマが生成される空間の圧力がエッチングガスの流量によって調整されるため、エッチングガスの排気量を調整する方式と比較して、基板の表面における流体の速さを高めることが可能である。そのため、プラズマが生成される空間の圧力を高める場合であれば、エッチング反応の進行によってエッチング速度が律速するようないわゆる反応律速となる領域で、上記エッチングを実施することが可能である。ひいては、エッチング速度の低下を抑えつつ、エッチング形状の異方性を高めることが可能である。【００２１】
本発明の第五の態様は、上記第一又は第三の態様のエッチング方法において、前記基板がシリコン基板であるとともに、前記エッチングガスが、フッ素含有ガスと、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも一つを有するハロゲン化水素ガスとを含む混合ガスであることをその要旨とする。【００２２】
シリコン基板のエッチングには一般に、シリコンと結合して揮発性の高い化合物であるフッ化シリコンを形成するフッ素を含有するガスが用いられる。一方、フッ素以外のハロゲン元素である塩素、臭素、及びヨウ素がシリコンと結合したハロゲン化シリコンは、上記フッ化シリコンよりも揮発性が低く、また、水素がシリコンと結合した水素化シリコンは、フッ化シリコンよりも揮発性が高い。【００２３】
そのため、本発明の第五の態様では、エッチングガスとして、エッチングの主体となるフッ素含有ガスに、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも一つを含有するハロゲン化水素ガスを用いるようにしている。これにより、基板の厚さ方向へと進行するエッチングは、水素イオンによって促進されるとともに、同厚さ方向に形成された凹部の周壁は、ハロゲン化シリコンの堆積物によってエッチングされにくくなる。したがって、エッチング形状の異方性がより得られやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるエッチング方法の実施に用いられるエッチング装置の概略構成図。
【図２】高周波電力の周波数が４０ＭＨｚであるときに、基板に到達するイオンのイオンエネルギーの分布を示す図。
【図３】高周波電力の周波数が６０ＭＨｚであるときに、基板に到達するイオンのイオンエネルギーの分布を示す図。
【図４】高周波電力の周波数が１５０ＭＨｚであるときに、基板に到達するイオンのイオンエネルギーの分布を示す図。
【図５】高周波電力の周波数が２５０ＭＨｚであるときに、基板に到達するイオンのイオンエネルギーの分布を示す図。
【図６】反応性イオンエッチングにおける正イオンの軌道を示す模式図。
【図７】（ａ）（ｂ）反応性イオンエッチングによって形成されたエッチング形状を示す模式図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）エッチングによってシリコン基板に形成された凹部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮影した画像。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかるエッチング方法、及び該エッチング方法の実施に用いられるエッチング装置を具現化した一実施の形態を、図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本実施の形態にかかるエッチング装置であって、一般に平行平板型、あるいは容量結合型と呼ばれるエッチング装置の概略構成を示している。平行平板型のエッチング装置は、真空槽１の内部に絶縁スペーサ２を介して配設されるステージ電極３を有している。ステージ電極３には、エッチングの対象物である基板Ｓが載置されるとともに、ステージ電極３に高周波電力を供給する高周波電源４が、インピーダンスの整合を図るマッチングボックス５を介して接続されている。高周波電源４は、ステージ電極３に供給する高周波電力の周波数を６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下に設定する。
【００２６】
また、ステージ電極３の近傍には、基板Ｓに入射する正イオンのエネルギーを分析するためのイオンエネルギー分析器６が配置されている。イオンエネルギー分析器６は、ステージ電極３に向けて飛行する粒子の一部を収集して該粒子中に含まれる正イオンを電子温度（ｅＶ）毎に分類するとともに、各電子温度を有する正イオンの数を測定する。
【００２７】
ステージ電極３の上方には、これと対向する接地電極として機能し、且つ、真空槽１の外部から供給されたエッチングガスを真空槽１内に導入するガス導入孔が設けられたシャワープレート７が配設されている。シャワープレート７には、基板Ｓのエッチングに用いられる各種ガスを供給するガス供給部８が接続されている。加えて、真空槽１には、真空槽１内のエッチングガスや大気等の各種ガスを排気する排気部９が連結されている。本実施の形態では、上記ガス供給部８から真空槽１に供給される単位時間当りのガスの流量がガス供給部８によって調整されること、あるいは、排気部９の単位時間当りの排気量が排気部９によって調整されることによって真空槽１内の圧力が所定値（本実施の形態では、５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下）に調整される。またあるいは、ガス供給部８及び排気部９の協働により、真空槽１内の圧力が上記所定値に調整される。
【００２８】
上記平行平板型のエッチング装置にてエッチングが実施される際には、まずエッチングの対象となる基板Ｓが真空槽１内に搬送されて、ステージ電極３上に載置される。次いで、排気部９によって真空槽１内の大気等が排出されるとともに、ガス供給部８から、所定流量のエッチングガスが真空槽１内に供給される。このとき、ガス供給部８から供給されるエッチングガスの流量と、上記排気部９の排気量とにより、真空槽１内が所定の圧力に調整される。エッチングガスの供給の後、高周波電源４からステージ電極３への高周波電極の供給が実施されると、ステージ電極３に載置された基板Ｓとシャワープレート７との間での放電によって、エッチングガスのプラズマが生成される。なお、上述した排気部９による排気処理、ガス供給部８によるガス供給処理、高周波電源４による電力供給処理等、エッチング装置で実行される各種処理は、エッチング装置に接続された制御部１０によって各部が駆動されることによって実行されるようになっている。
【００２９】
プラズマの生成時には、基板Ｓ及び真空槽１の表面にプラズマ中の電子が衝突することによって、これら表面がプラズマに対して負にバイアスされるとともに、同表面には、所定の厚さを有したシースがほぼ一様に形成される。そして、プラズマ中の正イオンがシースと該シースを除いたプラズマとの境界（シースの上端部）に到達すると、負にバイアスされた基板Ｓの表面に該正イオンが引き込まれることになる。こうして基板Ｓの表面に引き込まれた正イオンが、基板Ｓを化学的又は物理的にエッチングすることにより、所定のエッチング形状を伴うエッチングが、基板Ｓの表面から該基板Ｓの厚さ方向に進行する。そして基板Ｓの表面から該基板Ｓの厚さ方向に延びる凹部が形成される。
【００３０】
なお、本実施の形態では、上記基板Ｓを例えばシリコン基板とし、エッチングガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス、酸素（Ｏ２）ガス、及び臭化水素（ＨＢｒ）ガスから構成される混合ガスを用いている。ただし、エッチングガスとしては、こうした組み合わせに限らず、フッ素含有ガスと、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも一つを有するハロゲン化水素ガスとが混合されたガスであれば該エッチングガスとして採用することができる。より詳細には、エッチングガスを構成するフッ素含有ガスとしては、例えば、六フッ化硫黄ガス、五フッ化ヨウ素（ＩＦ５）ガス、三フッ化塩素（ＣｌＦ３）ガス、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）ガス、フッ化チオニル（ＳＯＦ２）ガス、フッ化スルフリル（ＳＯ２Ｆ２）ガス、及びフッ化カルボニル（ＣＯＦ２）ガスのうちの少なくとも１つを採用することができる。また。ハロゲン化水素ガスとしては、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガス、臭化水素、及びヨウ化水素（ＨＩ）ガスのうちの少なくとも１つを採用することができる。
【００３１】
本実施の形態では、エッチングガスとして、シリコン基板のエッチングに際して一般に用いられるフッ素含有ガスである六フッ化硫黄ガスと、ハロゲン化水素ガスである臭化水素ガスとを含む混合ガスを用いるようにしている。これにより、基板Ｓの厚さ方向へと進行するエッチングは、フッ化シリコンよりも揮発性の高い水素化シリコンを形成する水素イオンによって促進される。また、基板Ｓの厚さ方向に延びる凹部の周壁は、ハロゲン化シリコンの堆積物によってエッチングされにくくなる。したがって、他のガス種を用いてエッチングを行う場合と比較して、エッチング形状の異方性が得られやすくなる。
【００３２】
ちなみに、本実施の形態では、エッチングガスが、上記フッ素含有ガスとハロゲン化水素ガスに加えて、酸素ガスを更に含んでいる。このようなエッチングガスによれば、エッチングに際して、上記水素化シリコン、フッ化シリコン、及びハロゲン化シリコンのいずれよりも揮発性が低い酸化シリコンが形成されるようになる。そのため、基板Ｓの厚さ方向に延びる凹部の周壁が、よりエッチングされにくくなる。
【００３３】
ここで、上述した反応性イオンエッチングの際に、シース内を基板Ｓに向かって飛行する正イオンが他の粒子と衝突することなく基板Ｓの表面に到達するとする。この場合、高周波電力の周波数帯域が上記６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下であると、高周波電力が形成する電界に正イオンが追従する。その結果、正イオンが基板Ｓに到達する際に高周波電力の位相に応じて、大きな電場加速を受ける正イオンとそうでない正イオンとが生成される。これにより、これら正イオンの間にエネルギー差が生じるようになる。このため、高周波電力の周波数によって定められた互いに異なる電場加速による一対のピーク、いわゆるバイモーダルピークが、正イオンのエネルギー分布内で高エネルギー側の端に認められるようになる。
【００３４】
こうしたバイモーダルピークが、正イオンのエネルギー分布内での優位なピークとして認められる場合、正イオンの大部分は、基板Ｓの表面上に形成されたシースの上端部から基板Ｓの表面まで飛行することになる。このようにしてシースを飛行する正イオンには、法線方向に飛行する正イオンの他に、法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンが含まれている。このように法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンは、形成されつつある凹部の深さが大きくなるほど、該凹部の底面に到達し難くなる。その結果、法線方向に飛行する正イオンが凹部の深さを大きくする間、法線方向とは異なる方向に飛行する正イオンが凹部の開口を拡大し続けるようになる。それゆえに、正イオンのエネルギー分布内でバイモーダルピークが優位なピークとして認められる場合には、凹部の深さが大きくなるほど、凹部の側壁におけるエッチング量が大きくなる。その結果、いわゆるＣＤロスが大きくなってしまう。
【００３５】
そこで本実施の形態では、正イオンのエネルギー分布において、第１のピークである上記バイモーダルピークよりもエネルギーの小さい第２のピークが優位となるような条件、特に圧力条件にてエッチングを実施するようにしている。
【００３６】
次に、基板Ｓに引き込まれた正イオンのエネルギーの分布に対する高周波電力の周波数の依存性及び真空槽１内の圧力の依存性を、下記エッチング条件を一例として、図２〜図５を参照して説明する。図２〜図５は、下記エッチング条件における正イオンのエネルギー分布であって、順に、高周波電力の周波数を４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１５０ＭＨｚ、２５０ＭＨｚとするときのエネルギー分布を例示するものである。
（エッチング条件）
・エッチングガス：ＳＦ６ガス、Ｏ２ガス、ＨＢｒガスからなる混合ガス
・ステージ電極３における高周波電力の出力値：１０Ｗ／ｃｍ２
・真空槽１内の圧力：０．２Ｐａ、２５Ｐａ、５０Ｐａ、１５０Ｐａ、２５０Ｐａ
・エッチング時におけるプラズマ密度：１×１０１１
なお、図２〜図５に示されるイオンエネルギー分布は、上記エッチング装置に設けられたイオンエネルギー分析器６が出力する出力値から得られるものである。また、各図には、真空槽１内の圧力が０．２Ｐａであるときのイオンエネルギーが実線、同圧力が２５Ｐａであるときのイオンエネルギーが破線で示されている。また、真空槽１内の圧力が５０Ｐａであるときのイオンエネルギーが二点鎖線、同圧力が１５０Ｐａであるときのイオンエネルギーが一点鎖線、同圧力が２５０Ｐａであるときのイオンエネルギーが太線で示されている。
【００３７】
図２に示されるように、高周波電力の周波数が４０ＭＨｚである場合、圧力が０．２Ｐａである条件と、圧力が２５Ｐａである条件とには、約１４０ｅＶに認められる第一高エネルギーピークＰ１と、約６５ｅＶに認められる第二高エネルギーピークＰ２とによって構成されるバイモーダルピークＢＰが高エネルギー側の端に認められる。これに対し、圧力がより高い条件（５０Ｐａ、１５０Ｐａ、２５０Ｐａ）である場合には、バイモーダルピークＢＰが認められない。特に、圧力が２５０Ｐａである条件では、バイモーダルピークＢＰによって挟まれたエネルギー領域である６５〜１４０ｅＶのエネルギーを有した正イオンがほとんど認められない。
【００３８】
図３に示されるように、高周波電力の周波数が６０ＭＨｚである場合、圧力が２５０Ｐａ以外（０．２Ｐａ、２５Ｐａ、５０Ｐａ、１５０Ｐａ）の条件には、約１２５ｅＶに認められる第一高エネルギーピークＰ１と、約８０ｅＶに認められる第二高エネルギーピークＰ２とによって構成されるバイモーダルピークＢＰが高エネルギー側の端に認められる。
【００３９】
さらに、圧力が５０Ｐａである条件と、圧力が１５０Ｐａである条件とには、このバイモーダルピークＢＰよりも低エネルギー側に、バイモーダルピークＢＰよりも高い強度を有した第２のピークである低エネルギーピークＰ３が認められる。このような低エネルギーピークＰ３を示す正イオンは、電場加速によって与えられるエネルギーよりも低いエネルギーを有する。このため、低エネルギーピークＰ３を有する正イオンは、シース内で生成されてシース内の途中から電場加速された正イオン、例えば、中性粒子と正イオンとの電荷交換によって新たに生成された正イオンとして帰属できる。なお、バイモーダルピークＢＰの強度よりも高い強度を有した低エネルギーピークＰ３が該バイモーダルピークＢＰの低エネルギー側に認められるという上記傾向は、５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下の全範囲において認められる傾向である。
【００４０】
図４に示されるように、周波数が１５０ＭＨｚである場合、上記６０ＭＨｚであるときと同様、圧力が２５０Ｐａ以外（０．２Ｐａ、２５Ｐａ、５０Ｐａ、１５０Ｐａ）の条件には、約１１０ｅＶに認められる第一高エネルギーピークＰ１と、約９０ｅＶに認められる第二高エネルギーピークＰ２とによって構成されるバイモーダルピークＢＰが高エネルギー側の端に認められる。また、上記６０ＭＨｚであるときと同様、圧力が５０Ｐａである条件と、圧力が１５０Ｐａである条件とには、このバイモーダルピークＢＰよりも低エネルギー側に、バイモーダルピークＢＰよりも高い強度を有した第２のピークである低エネルギーピークＰ３が認められる。なお、上記６０ＭＨｚのときには、低エネルギーピークＰ３が、５０Ｐａ及び１５０Ｐａのそれぞれの圧力条件について１つしか認められないのに対し、１５０ＭＨｚについては、５０Ｐａ及び１５０Ｐａのそれぞれの圧力条件について３つの低エネルギーピークＰ３が認められる。また、上記６０ＭＨｚであるときと同様、バイモーダルピークＢＰの強度よりも高い強度を有した低エネルギーピークＰ３が該バイモーダルピークＢＰの低エネルギー側に認められるという上記傾向は、５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下の全範囲において認められる傾向である。
【００４１】
図５に示されるように、周波数が２５０ＭＨｚである場合、上記４０ＭＨｚであるときと同様、圧力が０．２Ｐａである条件と、圧力が２５Ｐａである条件とには、約９５ｅＶに認められる第一高エネルギーピークＰ１と、約１０５ｅＶに認められる第二高エネルギーピークＰ２とにより構成されるバイモーダルピークＢＰが高エネルギー側の端に認められる。これに対し、圧力がより高い条件（５０Ｐａ、１５０Ｐａ、２５０Ｐａ）である場合には、バイモーダルピークＢＰが認められない。
【００４２】
このように、基板Ｓに入射するイオンのエネルギー分布において、上記バイモーダルピークＢＰと、バイモーダルピークＢＰよりも低いエネルギー領域にあって且つ強度が高い低エネルギーピークＰ３とが認められる条件とは、周波数帯域が６０ＭＨｚ以上且つ１５０ＭＨｚ以下、且つ真空槽内の圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下の範囲である。そして、本実施の形態では、上記エッチング装置にてエッチングを実施する際に、周波数帯域が６０ＭＨｚ以上且つ１５０ＭＨｚ以下に定められ、且つ、下記［第一条件］及び［第二条件］が満たされる圧力範囲が定められる。例えば、上述したエッチング条件にあっては、周波数帯域が６０ＭＨｚ以上且つ１５０ＭＨｚ以下に定められ、且つ、圧力範囲が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下に定められる。
［第一条件］バイモーダルピークＢＰが高エネルギー側の端に認められること。
［第二条件］バイモーダルピークＢＰよりも低エネルギー側にあって、且つ強度がバイモーダルピークＢＰよりも高い低エネルギーピークＰ３が認められること。
【００４３】
プラズマが生成される空間の圧力をこのような所定値に調整する方法としては、エッチングガスの流量を調整することと、エッチングガスの排気量を調整することとが挙げられるが、基板Ｓの表面における流体の速さを調整できる観点からすれば、エッチングガスの流量によって該圧力を調整することが好ましい。これによれば、エッチング反応の進行によってエッチング速度が律速するようないわゆる反応律速となる領域で、上記エッチングを実施しやすくなるため、エッチング速度の低下を抑えつつ、エッチング形状の異方性を高めることが可能である。
【００４４】
なお、基板Ｓ上に形成されるシースの厚さは、プラズマ中に含まれるイオン及び電子の密度であるプラズマ密度によって規定される。一般には、プラズマ密度が高い程、薄いシースが形成され、プラズマ密度が低い程、厚いシースが形成されることが知られている。そこで上記［第一条件］及び［第二条件］のみならず、低エネルギーピークＰ３の強度とバイモーダルピークＢＰの強度との比率等に再現性が要求される場合には、このようなプラズマ密度の範囲と圧力の範囲とを規定した方法が好ましい。そこで本実施の形態では、圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であり、且つ、プラズマ密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下となるように、エッチングガスの流量や高周波電力の出力値が設定されている。
【００４５】
以下に、上述のようにして定められる周波数帯域及び圧力範囲によって得られるエッチング形状を、図６、図７を参照して説明する。図６は、上記反応性イオンエッチングを実施したときの、基板Ｓの表面近傍での正イオンの軌道を示している。また、図７は、反応性イオンエッチングによって形成されるエッチング形状を模式的に示している。
【００４６】
図６に示されるように、基板Ｓが上記エッチング装置に収容された後、真空槽１へのエッチングガスの供給とステージ電極３への高周波電流の供給とが、この順に実施されることにより、中性粒子ＮＰから構成されるエッチングガスから、電子Ｅと正イオンＩＰとを含むプラズマＲｐが生成される。次いで、高周波電流で形成される電界に追従して生成される移動速度のより早い電子Ｅが基板Ｓの表面に到達することによって、基板Ｓの表面がプラズマに対して負にバイアスされる。これにより、基板Ｓの表面では、電子Ｅが反発して基板Ｓの表面から離間する側に跳ね返されることから、基板Ｓの表面から所定の距離Ｄａには、電子Ｅの数よりも正イオンＩＰの数が多い領域であるシースＲｓが形成される。そして、シースＲｓよりも基板Ｓから離間した領域は、正イオンＩＰ、電子Ｅ、及び中性粒子ＮＰが存在するとともに、電気的に中性なプラズマＲｐの領域となる。プラズマＲｐ中の正イオンＩＰが、該プラズマＲｐとシースＲｓとの境界面ＢＰに到達すると、正電位の正イオンＩＰが、負にバイアスされた基板Ｓの表面に引き込まれる、言い換えれば、正イオンＩＰが基板Ｓの表面まで飛行する。
【００４７】
ここで、基板Ｓの表面に入射する正イオンＩＰとしては以下の２つに大別できる。
・他の粒子と衝突することなく基板Ｓの表面に到達する第一正イオンＩＰａ。
・シースＲｓ内にて中性粒子ＮＰと正イオンＩＰとの電荷交換によって、中性粒子ＮＰから新たに生成される第二正イオンＩＰｂ。
【００４８】
上記第一正イオンＩＰａは、高周波電力による電場加速を受けるとともに、該加速によって得られたエネルギーを基板Ｓに入射するまで維持している。すなわち、第一正イオンＩＰａとは、先の図２〜図５に示される第一高エネルギーピークＰ１及び第二高エネルギーピークＰ２から構成されるバイモーダルピークＢＰに帰属する正イオンである。上記第一正イオンＩＰａには、図６に示されるように、基板Ｓの表面の法線方向に飛行する第一正イオンＩＰａと、該法線方向とは異なる方向に飛行する第一正イオンＩＰａとが含まれている。そして、これら法線方向に飛行する第一正イオンＩＰａと、法線方向とは異なる方向に飛行する第一正イオンＩＰａとが、他の正イオンＩＰや中性粒子ＮＰと衝突することなく基板Ｓの表面に到達する。ただし、上記第一正イオンＩＰａのうちで法線方向とは異なる方向に沿って飛行する第一正イオンＩＰａは、基板Ｓに形成される凹部の深さが大きくなるほど、該凹部の底面へ到達し難くなる。
【００４９】
他方、上記第二正イオンＩＰｂは、電場加速によって与えられるエネルギーが上記第一正イオンＩＰａよりも小さい正イオン、すなわち、先の図３、図４に示される低エネルギーピークＰ３に帰属される正イオンである。上記第二正イオンＩＰｂにも、上記第一正イオンＩＰａと同様に、上記法線方向に飛行する第二正イオンＩＰｂと、上記法線方向とは異なる方向に飛行する第二正イオンＩＰｂとが含まれている。このようにしてシースＲｓ内で生成された正イオンは、電場加速され始める際の速度方向の分布が上記第一正イオンＩＰａのそれと同じであるものの、電場加速され始める際の位置が上記第一正イオンＩＰａよりも基板Ｓに近くなる。つまり、第二正イオンＩＰｂの飛行距離は、上記電荷交換がなされた地点からの距離Ｄｂであるとともに、電荷交換はシースＲｓ内で生じることから、距離Ｄｂは、シースＲｓの厚さに相当する上記距離Ｄａよりも小さくなる。そのため、電荷交換により生じた第二正イオンＩＰｂは、たとえ上記第一正イオンＩＰａと同様の理由でその飛行方向が法線方向からずれるとしても、上記第一正イオンＩＰａよりも基板Ｓに到達するまでの飛行距離が短くなる分、基板Ｓに形成される凹部の底面へ到達しやすくなる。
【００５０】
上記第一正イオンＩＰａ、及び第二正イオンＩＰｂによって反応性イオンエッチングが行われた場合に形成されるエッチング形状を、模式的に図７（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図７に示されるように、基板Ｓに反応性イオンエッチングによって所定のエッチング形状、例えば凹部Ｈを形成する場合、反応性イオンエッチングに先立ち、所定の開口部を有したマスクＭが基板Ｓの表面に形成される。そして、この開口部から基板Ｓに対して上記正イオンＩＰが入射することにより、基板Ｓがエッチングされる。
【００５１】
図７（ａ）に示されるように、上記第一正イオンＩＰａによってエッチングを実施した場合、上記法線方向とは異なる方向に飛行する第一正イオンＩＰａによって、マスクＭの開口部Ｍａの法線方向よりも外側に向かってエッチングが進行することになる。これにより、開口部Ｍａの直径ＤｉａＡよりも、エッチング形状である凹部Ｈにおける最大直径ＤｉａＢが大きくなる。
【００５２】
他方、図７（ｂ）に示されるように、上記第二正イオンＩＰｂによってエッチングを実施した場合、第二正イオンＩＰｂが基板Ｓの近傍から電場加速されるため、マスクＭの開口部Ｍａの法線方向に沿ってエッチングが進行しやすくなる。そのため、エッチング形状である凹部Ｈの直径は、開口部Ｍａにおける直径ＤｉａＡにほぼ等しくなる。
【００５３】
したがって、基板Ｓに入射する正イオンＩＰに第二正イオンＩＰｂが占める割合を大きくする、すなわち、先の図３、図４に示されるように、イオンエネルギーの分布中で、上記［第一条件］及び［第二条件］が満たされるような条件でエッチングを実施することによって、凹部Ｈの異方性が高められるようになる。
【００５４】
なお、同図３、図４に示されるように、低エネルギーピークＰ３に帰属する第二正イオンＩＰｂとは、バイモーダルピークＢＰに帰属する第一正イオンＩＰａよりもイオンエネルギーが低いことから、第二正イオンＩＰｂのみが存在する条件でエッチングを実施すると、エッチング速度が低下する虞がある。この点、本実施の形態によれば、バイモーダルピークＢＰに帰属する第一正イオンＩＰａと、低エネルギーピークＰ３に帰属する第二正イオンＩＰｂとが共存する条件にてエッチングを実施しているため、第二正イオンＩＰｂによってエッチング形状の異方性を維持しつつ、第一正イオンＩＰａによってエッチング速度の低下を抑制することができる。
［実施例１］
厚さが７５０μｍの８インチのシリコン基板に、直径５０μｍの開口部を有するマスクを塗布した後、上記平行平板型のエッチング装置を用いて、ＳＦ６ガス、Ｏ２ガス、ＨＢｒガスから構成される混合ガスをエッチングガスとしてエッチングを実施した。この際、高周波電源から出力する高周波電力の周波数を６０ＭＨｚ、出力値を１０Ｗ／ｃｍ２とした。また、プラズマ密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下であって、且つ、エッチング時の圧力が１２０Ｐａとなるように、混合ガスに含まれる各種ガスを、ＳＦ６ガス、Ｏ２ガス、ＨＢｒガスの順にそれぞれ、１５０ｓｃｃｍ、１５０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍの流量で真空槽に供給した。
【００５５】
そして、上記条件下でエッチングを３００秒間実施することによって、実施例１の凹部Ｈを得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した実施例１の凹部Ｈの断面画像を図８（ａ）に示す。また図８（ａ）の断面画像に基づいて計測した凹部Ｈの深さの最大値（最大深さ）及び凹部Ｈの内径の最大値（最大内径）を以下に示す。
・最大深さ：１５４μｍ
・最大内径：６７μｍ
［比較例１］
エッチング時の圧力が２５Ｐａとなるように混合ガスの総流量を変更するとともに、その他の条件を上記実施例１と同じくして比較例１の凹部Ｈを得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した比較例１の凹部Ｈの断面画像を図８（ｂ）に示す。また図８（ｂ）の断面画像に基づいて計測した凹部Ｈの最大深さ及び最大内径を以下に示す。
・最大深さ：８８μｍ
・最大内径：６８μｍ
［比較例２］
エッチング時の圧力が２５０Ｐａとなるように混合ガスの総流量を変更するとともに、その他の条件を上記実施例１と同じくして比較例２の凹部Ｈを得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した比較例２の凹部Ｈの断面画像を図８（ｃ）に示す。また図８（ｃ）の断面画像に基づいて計測した凹部Ｈの最大深さ及び最大内径を以下に示す。
・最大深さ：１５０μｍ
・最大内径：７１μｍ
これらの結果から、実施例１の最大深さが比較例１の最大深さの２倍程度であること、また実施例１の最大内径と比較例１の最大内径とが略同程度であることが認められた。この最大深さの違いによれば、低エネルギーピークＰ３が認められる圧力領域で、それが認められない低圧領域よりも凹部Ｈの底面に正イオンが到達しやすくなることが分った。また上記最大内径の違いによれば、低エネルギーピークＰ３が認められる圧力領域と、それが認められない低圧領域とでは、凹部Ｈの側面に到達する正イオンが略同程度であることが分った。
【００５６】
なお、比較例１の圧力を５０Ｐａよりも低い他の圧力に変更するとともに、その他の条件を比較例１と同じくして、そのエッチング形状を計測した結果、エッチング時の圧力が５０Ｐａよりも低くなるほど、上述した最大深さの減少傾向は顕著であった。
【００５７】
また上記結果から、実施例１の最大深さが比較例２の最大深さよりも若干大きいこと、また実施例１の最大内径が比較例２の最大内径よりも若干小さいことが認められた。この最大深さの違いによれば、低エネルギーピークＰ３が認められる圧力領域であっても、バイモーダルピークＢＰが消失するほどの高圧領域では、凹部Ｈの底面に正イオンが到達し難くなることが分った。また上記最大内径の違いによれば、これもまた低エネルギーピークＰ３が認められる圧力領域であっても、バイモーダルピークＢＰが消失するほどの高圧領域では、凹部Ｈの側壁に到達する正イオンが多くなることが分った。
【００５８】
なお、比較例２の圧力を１５０Ｐａよりも高い他の圧力に変更するとともに、その他の条件を比較例２と同じくして、そのエッチング形状を計測した結果、エッチング時の圧力が１５０Ｐａよりも高くなるほど、上述した最大深さの減少傾向は顕著となるとともに最大内径の増加傾向は顕著であった。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態のエッチング方法及びエッチング装置によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）高周波電力の周波数が６０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下であって、バイモーダルピークＢＰと、これよりも強度が高く、且つ低いエネルギーを有する低エネルギーピークＰ３とが、イオンエネルギーの分布に認められる圧力領域でエッチングが実施される。そのため、上記第二正イオンＩＰｂがシースＲｓ内で新たに生成される分、基板Ｓの厚さ方向に形成されるエッチング形状の異方性を高めることが可能である。
【００６０】
（２）また相対的に高いエネルギーを有した上記第一正イオンＩＰａによるエッチングも進行するため、圧力が過剰に高くなることでエッチング形状の異方性がかえって失われることを抑えることが可能でもある。
【００６１】
（３）圧力が５０Ｐａ以上１５０Ｐａ以下であって、且つ、プラズマ密度が１×１０１０／ｃｍ３以上５×１０１２／ｃｍ３以下となる条件でエッチングが行われるため、低エネルギーピークＰ３の強度に対するバイモーダルピークＢＰの強度の比率等に再現性を得ることが可能でもある。
【００６２】
（４）エッチングガスとして、フッ素含有ガスの１つである六フッ化硫黄ガスと、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも一つを含有するハロゲン化水素ガスの１つである臭化水素とを含む混合ガスを用いるようにした。これにより、基板Ｓの厚さ方向へと進行するエッチングは、水素イオンによって促進されるとともに、基板Ｓに形成された凹部の側壁は、ハロゲン化シリコンの堆積物によってエッチングされにくくなる。したがって、エッチング形状の異方性がより得られやすくなる。
【００６３】
（５）エッチングガスは、六フッ化硫黄ガスと臭化水素ガスとの他に、酸素ガスを含むようにした。これにより、エッチングに際して、上記水素化シリコン、フッ化シリコン、及びハロゲン化シリコンのいずれよりも揮発性が低い酸化シリコンが形成されるようになる。そのため、上記照射面の周壁が、よりエッチングされにくくなる。
【００６４】
なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することも可能である。
・上記実施の形態におけるプラズマ密度の範囲とは、基板に入射するイオンのエネルギー分布にて上記［第一条件］及び上記［第二条件］が満たされる範囲であればよく、低エネルギーピークＰ３の強度とバイモーダルピークＢＰの強度との比率などに特段の再現性が求められない場合には、このようなプラズマ密度の範囲を定めることを割愛することも可能である。
【００６５】
・上記実施の形態における圧力範囲とは、基板に入射するイオンのエネルギー分布にて上記［第一条件］及び上記［第二条件］が満たされる範囲であればよく、エッチングガスの種別に応じて、例えば５０Ｐａ以下あるいは１５０Ｐａ以上であってもよい。このようなエッチング方法であれば、エッチングガスの種別やエッチングの対象材料の範囲を拡大させることが可能でもある。
【００６６】
・上記実施の形態におけるイオンエネルギーの分布は、ステージ電極３の近傍に設けられたイオンエネルギー分析器６によって取得されるものである。これに用いられる方式としては、単探針（ラングミュアプローブ）を用いる方式、分解型イオン質量分析を用いる方式、発光分光を用いる方式等、基板Ｓに入射する正イオンのエネルギーを分析できる方式であれば特に限定されるものではない。またエッチング装置に実際に搭載される方式に限られず、イオンエネルギーの分布を取得するための装置を別途用い、上記［第一条件］及び上記［第二条件］が満たされる圧力範囲が、エッチング装置とは異なる装置で定められる方式であってもよい。
【００６７】
・上記エッチング方法を、平行平板型のエッチング装置を用いて実施するようにした。これに限らず、エッチングの対象物である基板が電極の上方に載置されるとともに、基板にバイアス電圧を印加する高周波電源が電極に接続された構成を有する他のエッチング装置を用いて実施することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2011115008.tif 000010
【国際調査報告】
2011115008.tif 000011
2011115008.tif 000012
2011115008.tif 000013
2011115008.tif 000014